Jak współczesne odżywianie napędza szybki rozwój bakterii jelitowych

Jak współczesne odżywianie napędza szybki rozwój bakterii jelitowych

Śledząc, w jaki sposób geny adaptacyjne przemieszczają się przez bakterie jelitowe na różnych kontynentach, badacze odkrywają ukrytą reakcję ewolucyjną na współczesne diety i styl życia oraz nowy, potężny sposób badania ewolucji mikrobiomu.

Badanie: Selektywne podmiany specyficzne dla genu są wszechobecne w ludzkim mikrobiomie jelitowym. Źródło zdjęcia: Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

Niedawne badanie wNaturaopracowali zintegrowany wynik nierównowagi powiązań (iLDS), nowatorską statystykę skanowania selekcji, w celu identyfikacji alleli adaptacyjnych, które rozprzestrzeniają się w mikrobiomie gospodarza w procesach za pośrednictwem rekombinacji, w tym migracji i poziomego transferu genów (HGT). To podkreśla Powszechne presje selekcyjne i ich rola w kształtowaniu różnorodności i funkcji mikrobiomu.

Adaptacje genetyczne w mikrobiomie jelitowym

Różne gatunki ludzkiego mikrobiomu jelitowego zmieniają się i rozwijają w ciągu życia człowieka, a nawet w ciągu wielu pokoleń. Badania pokazują, że bakterie jelitowe często ewoluują szybko, a u zdrowych dorosłych nowe mutacje pojawiają się w ciągu kilku dni lub miesięcy, nawet bez leczenia antybiotykami. Konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć, w jaki sposób zmiany te rozprzestrzeniają się na poszczególne osoby w czasie.

Kiedy w mikrobiomie jelitowym danej osoby nastąpi nowa adaptacja, może ona rozprzestrzenić się na inne osoby poprzez poziomy transfer genów (HGT). Ludzkie jelita są znanym siedliskiem HGT i ułatwiają włączanie przydatnych genów do nowych szczepów bakterii. HGT jest ważny dla rozprzestrzeniania się niektórych genów, takich jak oporność na antybiotyki, szczególnie między różnymi gatunkami. Do chwili obecnej nie jest jasne, w jakim stopniu HGT ułatwia przepływ genów adaptacyjnych między szczepami tego samego gatunku, szczególnie poprzez rekombinację homologiczną.

Kiedy gen adaptacyjny rozprzestrzenia się w populacji w procesie zwanym „specyficznym dla genu” selektywnym przemiataniem, mogą zostać przeniesione sąsiednie warianty genetyczne, które mogą być nieszkodliwe lub potencjalnie szkodliwe. Oznacza to, że ten sam odcinek DNA, w tym gen adaptacyjny i „autostopowicze”, może występować w niepowiązanych szczepach bakterii żyjących w mikrobiomach jelitowych różnych ludzi. To dzielenie się DNA tworzy uderzający wzór zwany zwiększoną nierównowagą połączeń (LD). Oznacza to, że pewne kombinacje genów pojawiają się razem w pobliżu genu adaptacyjnego częściej, niż oczekiwano.

Skany oparte na LD w celu selekcji bakterii są ograniczone, prawdopodobnie ze względu na częstość występowania i dynamikę rekombinacji u wielu gatunków bakterii, szczególnie komensali jelitowych. Co więcej, statystyki oparte na LD mogą zostać zakłócone przez inne nieselektywne siły ewolucyjne, w tym skurcze demograficzne, które mogą zwiększyć LD20.

Odkrywanie sił selekcyjnych w populacjach bakterii jelitowych poprzez wzorce nierównowagi powiązań

Naukowcy wykorzystali symulacje, aby sprawdzić, czy selekcja pozytywna i autostop zwiększają LD między wariantami niesynonimicznymi w porównaniu z wariantami synonimicznymi oraz czy ten wzorzec występuje tylko w wyniku selekcji, czy może wystąpić przez przypadek. Odkryli, że ten wzór genetyczny nie powstaje bez pozytywnej selekcji, nawet w różnych scenariuszach ewolucyjnych. Sygnatura pojawiła się tylko wtedy, gdy selekcja oczyszczająca była silniejsza niż dryf, a selekcja pozytywna była silniejsza niż selekcja oczyszczająca. W takich przypadkach słabo szkodliwe warianty mogą podróżować autostopem podczas przeglądu, co prowadzi do zwiększenia LD w przypadku powszechnych, niesynonimicznych wariantów.

Po tym, jak symulacje wykazały, że selektywne przemiatanie może zwiększyć LD w typowych wariantach, badacze zmierzyli LD w ludzkich bakteriach jelitowych, aby ustalić, czy ten wzorzec występuje w populacjach naturalnych. Przeanalizowali dane metagenomiczne od 693 osób na trzech kontynentach. Dopasowując odczyty sekwencjonowania i identyfikując próbki z dominującym szczepem, udało im się wiarygodnie określić haplotypy. Umożliwiło to obliczenie LD pomiędzy parami alleli. W sumie przeanalizowano 3316 haplotypów z 32 gatunków. Dodatkowe dowody zebrano przy użyciu genomów złożonych z metagenomu (MAG) i izolatów z 24 populacji na całym świecie. Ponieważ na LD może wpływać struktura populacji, uwzględniono tylko haplotypy z największej grupy każdego gatunku.

U większości analizowanych gatunków LD była znacząco wyższa w przypadku powszechnych wariantów niesynonimicznych, co sugeruje selekcję pozytywną. W przypadku rzadkich wariantów LD była niższa, co wskazywało na selekcję oczyszczającą. Wzorce te sugerują powszechne oczyszczanie i pozytywną selekcję w niesynonimicznych miejscach bakterii jelitowych.

Zastosowanie iLDS do badania adaptacji genów drobnoustrojów w jelicie

Statystykę iLDS opracowano w celu identyfikacji kandydujących regionów genomowych objętych obecną selekcją pozytywną poprzez pomiar ogólnej LD i niesynonimicznej LD. Obliczono go w przesuwanych oknach w całym genomie i wyróżniono wartości odstające po standaryzacji. W bieżącym badaniu testowano iLDS na symulowanych i rzeczywistych danych dotyczących Clostridioides difficile i wykazano wrażliwość na bieżące i trwające cykle, przy jednoczesnym utrzymaniu niskiego odsetka wyników fałszywie dodatnich. W 135 izolatach C. difficile iLDS zlokalizował znane regiony przemiatania, takie jak tcdB i kaseta warstwy S, przy czym większość regionów nie wykazuje sygnału, a niektóre wskazują na selekcję.

Zidentyfikowano sześć przemiatań, w tym tcdB i S-layer. iLDS uzyskał lepsze wyniki niż inne statystyki, ponieważ często dopasowywał znane geny zjadliwości i ujawniał zmiany zgodne z rozprzestrzenianiem się alleli adaptacyjnych za pośrednictwem rekombinacji. Jego skuteczność potwierdzono także na Helicobacter pylori i Drosophila melanogaster.

iLDS zastosowany do 32 gatunków mikrobiomu jelitowego zidentyfikował 155 zmian wpływających na 447 genów, przy czym niektóre klasy genów, takie jak geny wykorzystania skrobi susC/susD i hydrolazy glikozydowe, poddano powtarzanej selekcji. Sugerowało to, że selekcja często obejmowała geny metabolizmu i transportu węglowodanów.

Geny mdxE i mdxF zaangażowane w transport maltodekstryny wyselekcjonowano w bakteriach jelitowych metabolizujących skrobię i wykazywały oznaki niedawnej rekombinacji i transferu poziomego. Poprzednie badania wykazały, że industrializacja wiąże się ze zmniejszoną różnorodnością mikrobiomu i zwiększonym współczynnikiem transferu genów. Skany iLDS ujawniły 309 cykli w 24 populacjach i 16 gatunkach, z których większość dotyczyła tylko jednej populacji, co sugeruje lokalną adaptację.

Trzydzieści pięć procent wyszukiwań przeprowadzono wśród różnych populacji, z których część miała charakter globalny. Grupy uprzemysłowione częściej udostępniały wyniki niż grupy nieprzemysłowe, co sugeruje wspólne presje selekcyjne ekologiczne i żywieniowe.

Obie grupy dzieliły tylko trzy przebiegi, podczas gdy 32 dotyczyły wyłącznie populacji uprzemysłowionej lub nieuprzemysłowionej. Locus R. bromii mdxEF wybrano we wszystkich grupach uprzemysłowionych, ale nie w grupach nieuprzemysłowionych, co sugeruje adaptację do nowoczesnego stylu życia. Liczby przeszukań na populację były podobne w poszczególnych grupach, co wskazywało na porównywalne wskaźniki adaptacji.

Wnioski

Opracowanie i zastosowanie iLDS pokazało, jak presja selektywna kształtuje mikrobiom jelitowy i jak adaptują się bakterie jelitowe. Chociaż wykryto setki selektywnych przemiatań, konserwatywna kalibracja iLDS prawdopodobnie nie pominęła niektórych naprawdę pozytywnych wyników, co sugeruje, że pozytywna selekcja u komensali jelitowych może być bardziej rozpowszechniona niż zaobserwowano. Konieczne są dalsze badania loci zidentyfikowanych za pomocą iLDS, aby wyjaśnić, w jaki sposób genetyka mikrobiomu wpływa na fenotypy gospodarza, pomóc w diagnozowaniu i leczeniu chorób oraz w opracowaniu ukierunkowanych probiotyków.

Pobierz teraz swoją kopię PDF!

Źródła: